Versuch 1

Versuch 10: Optische Spektroskopie
1. Zielstellung
Der Einsatz eines Reflexionsgitters ermöglicht die Beobachtung von Emissionsspektren.
Kenntnisse über die Eigenschaften des Lichtes als Welle, über Atomaufbau und Entstehung
des sichtbaren Lichtes werden vertieft und erweitert. Die Einbeziehung eines Lasers stellt die
Verbindung zu modernen Techniken her.
2. Literatur
Geschke, D.
"Physikalisches Praktikum"
B. G. Teubner Verlag, Stuttgart, Leipzig/Wiesbaden, 2001,
ISBN 3-519-10206-4, Seite 229 - 232
Stroppe, H.
"Physik für Ingenieure"
Fachbuchverlag Leipzig, 2005,
ISBN 3-446-40047-8, Seite 385 - 395, 362 - 363
Hering, E.; Martin, R.; Stohrer, M.
"Physik für Ingenieure",
Springer Verlag Berlin, 2004,
ISBN 3-540-21036-9, Seite 483 - 486
3. Kolloquiumsschwerpunkte
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Kohärenz, Interferenzbedingungen und Laserprinzip
Unterschiede von Linien- und kontinuierlichen Spektren
Emission- und Absorptionsspektren
Plancksches Strahlungsgesetz
Wiensches Verschiebungsgesetz
Fehlerrechnung
4. Grundlagen
Das Licht wird aus elektromagnetischen Wellen gebildet. Elektromagnetische Wellen
bestehen aus einem elektrischen und einem magnetischen Wellenanteil, die senkrecht quer zur
Ausbreitungsrichtung aufeinander stehen. Bei einem Glühkörper entsteht ein Gemisch aus
sehr vielen Lichtwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen, die kontinuierlich verteilt sind.
Der Farbeindruck eines solchen thermischen Strahlers richtet sich nach der Verteilungsfunktion des Lichtes, die durch das Plancksche Strahlungsgesetz eines Hohlraumstrahlers
beschrieben wird. Der Laser hingegen strahlt ein einfarbiges Licht aus, was gleichbedeutend
mit einer einzigen Wellenlänge ist. Die Kohärenz des Laserlichts bedeutet, dass ein
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Lichtstrahl mit einer einheitlichen Phasenfront über den gesamten Strahlquerschnitt
ausgesendet wird und außerdem eine einheitliche Polarisationsrichtung der Feldkomponenten
E und B aufweist.
Abb. 4.1: Elektromagnetische Welle
Trifft ein kohärenter Lichtstrahl auf ein Gitter, so wird von jedem Gitterstrich eine
Kugelwelle mit der gleichen Wellenlänge und Phasenbeziehung abgestrahlt. Dieser
Sachverhalt wird durch in der nachstehenden Skizze einer Wasserwelle vereinfacht
dargestellt.
Abb. 4.2: Aussenden von rotationssymmetrischen Wellen hinter einer Störung am Beispiel
einer Wasserwelle
Diese Kugelwellen der Gitterstriche werden hinter dem Gitter wieder durch die Addition der
Feldamplituden E und B überlagert. Im Falle, dass die Amplituden der Feldkomponenten in
die gleiche Richtung zeigen, erfolgt durch die Addition der Feldkomponenten eine
Verstärkung der Welle (konstruktive Interferenz). Im umgekehrten Fall wird sich die Welle
auslöschen. Berücksicht man die Phasenbeziehungen aufgrund der unterschiedlichen
optischen Wege der Lichtstrahlen hinter einem Gitter (im Fernfeld), so lässt sich die folgende
Messbeziehung ableiten.
(4.1) d * sin α = k * λ
In Gleichung 4.1 haben die einzelnen Formelzeichen die folgende Bedeutung.
d
α
k
λ
Æ
Æ
Æ
Æ
Gitterkonstante
Beugungswinkel
Ordnung der Interferenz
Wellelänge
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5. Aufgaben
a) Die Messbeziehung Gleichung 4.1 ist an Hand einer aussagefähigen Skizze zu erklären.
b) Es ist die Wellenlänge des genutzten Lasers zu bestimmen. Hierzu wird zunächst mittels
einer Schieblehre der Durchmesser des Sichtfensters eines Mikroskops festgestellt. Durch
das Auszählen der Linien eines Strichgitters wird schließlich die Gitterkonstante dieses
Gitters festgelegt. Durch eine geeignete Wahl der Abbildungsgeometrie wird mit der
Messbeziehung aus Aufgabe a die Wellenlänge des Lasers ausgemessen.
c) Mit der nun bekannten Wellenlänge des Lasers ist die Gitterkonstante d eines feineren
Messgitters höherer Auflösung zu bestimmen. Dazu sind die Winkel zwischen dem
Primärstrahl und den ersten Maxima links und rechts des Primärstrahls zu messen. Der
gemittelte Winkelwert wird zur weiteren Berechnung genutzt.
d) Mit dem nunmehr kalibrierten Spektrometer sind mindestens vier kräftige Linien des
Lichtes der Gasentladungsröhre ebenfalls im 1. Beugungsmaximum auszumessen. Ihre
Wellenlängen sind zu berechnen. Durch den Vergleich mit Tabellenwerten soll versucht
werden, die Gasart der Lampe zu ermitteln.
e) Mit einer Glühlampe ist durch Variation der Spannung zu prüfen, ob die Aussage des
Wienschen Verschiebungsgesetzes experimentell erkennbar wird.
f) Es ist das Spektrum einer Sparlampe aufzunehmen und auszuwerten. Mit Hilfe der
Farbenlehre ist das Gesamtspektrum der Lampe grob zu bewerten.
Hinweis: Bei den Aufgaben b) bis d) ist eine Fehlerrechnung durchzuführen
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